Die seltenen Erden (SE) sind Schlüsselelemente in vielen modernen Technologien, wie in der Mikroelektronik, in Katalysatoren oder in Batterien. Aufgrund ihrer besonderen magnetischen Eigenschaften haben sie zudem zentrale Bedeutung für Hochleistungsmagnete, die im Rahmen der Energiewende (Windräder, Elektromobilität) benötigt werden. In natürlichen und technischen Vorkommen, z.B. Recyclingschrott, treten die Seltenen Erden vermischt mit anderen Elementen auf, während die Industrie sie in möglichst reiner Form benötigt.
Da sich die Elemente der seltenen Erden-Gruppe in vielen Eigenschaften jedoch nur wenig unterscheiden, erfordert ihre Gewinnung über chemische Verfahren, wie zum Beispiel Flüssig-flüssig-Extraktion, eine hohe Zahl von Prozessschritten und erhebliche Mengen von Lösungsmitteln. Ein wichtiges Ziel besteht daher in der Entwicklung alternativer Separationsmethoden. Dafür bieten sich die bereits erwähnten speziellen magnetischen Eigenschaften der SE an, die vorrangig paramagnetisch sind.
Wir konnten nachweisen, dass sich SE-Ionen, die gelöst in wässrigen Lösungen vorliegen, in einem magnetischen Feldgradienten lokalisieren lassen, sofern ein Trigger (zum Beispiel schwache Verdunstung) vorliegt. Eine Lokalisierung der SE-Ionen ist gleichzeitig mit einer Erhöhung der Dichte der Lösung verknüpft. Unsere Arbeiten demonstrierten eine intensive Kopplung zwischen Feldgradient, Verdunstung und Schwerkraft, wobei die zugrundeliegenden Mechanismen nach wie vor Gegenstand wissenschaftlicher Debatten sind. Mit dem Parabelflugexperiment wollen wir daher insbesondere verstehen:
- Wie ändert sich die Form der Anreicherungszone der SE-Ionen im magnetischen Feldgradienten bei verschiedenen Schwerkraftniveaus?
- Wie wechselwirken Konvektionsstrukturen, die durch Verdunstung und Schwerkraft angetrieben werden, mit dem magnetischen Feldgradienten und wie beeinflussen sie die Effizienz der Separation?
Mit den dabei erwarteten Resultaten ist der Abschluss mehrerer in Vorbereitung befindlicher wissenschaftlicher Publikationen möglich. Gleichzeitig wird damit das Know-How komplettiert, das für den Bau eines Prototypen zur magnetischen Separation von SE-Ionen in einem Nachfolgeprojekt erforderlich ist.